一、氨基酸
氨基酸与多肽化学
氨基酸是蛋白质水解的最终产物，是组成蛋白质的基本单位（构件分子）。1、结构
除脯氨酸外，其他均具有如下结构通式
除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原子，具有旋光性。2、分类
（1）根据R基团化学结构分类1）脂肪族Ⅰ.侧链只是烃链
Ⅱ.侧链含有羟基 Ⅲ.侧链含硫原子
Ⅳ.侧链含有羧基或酰胺基
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Ⅴ.侧链含有碱性基团
2）芳香族3）杂环
（2）根据R基团极性分类
1）非极性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro、Met、Trp2）极性：Thr、Ser、Tyr、Cys、Asn、Gln
①带负电荷：Asp、Glu②带正电荷：Lys、Arg、His（3）根据酸碱性质分类1）中性（一氨基一羧基）
2）碱性（二氨基一羧基）Lys、Arg、His3）酸性（一氨基二羧基）Glu、Asp（4）根据营养学分类
1）必需 Met、Trp、Lys、Val、Ile、Leu、Phe、Thr2）非必需
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（5）不常见蛋白质氨基酸：在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，这些氨基酸都是在蛋白质合成后由相应的基本氨基酸衍生而来。如羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸、N-甲基甘氨酸、磷酸丝氨酸
非蛋白质氨基酸：存在于生物体内，但不组成蛋白质的呈游离或结合态的氨基酸，约150种，具有多种生理功能。如β-丙氨酸、高丝氨酸、γ-氨基丁酸、L-瓜氨酸、L-鸟氨酸、牛磺酸。 3、性质
（1）氨基酸的构型和紫外光吸收
Trp、Tyr和 Phe对紫外光有一定的吸收，因为分子中含有苯环，这三个氨基酸的光吸收都在280 nm附近。可以采用紫外分光光度计在280 nm波长处测定最大吸收来测定蛋白质的含量。 （2）氨基酸的两性解离及等电点
等电点PI：在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，在电场中既不向阳极也不向阴极移动。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。
特点：净电荷数等于零，在电场中不移动；此时氨基酸的溶解度最小等电点的确定：等于两性离子两侧pK值的算术平均数 （3）化学反应1）与HNO2的反应2）与茚三酮的反应
脯氨酸产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（0.5-50μg/ml）。
3）与甲醛反应：氨基酸的甲醛滴定法4)与2,4-二硝基氟苯（DNFB）的颜色反应
鉴定多肽或蛋白质的N-末端氨基酸。首先由Sanger应用确定了胰岛素的一级结构，又称为Sanger降解法。
5）与苯异硫氰酸酯（PITC）的反应
用于N末端分析，由Edman于1950年首先提出，又称Edman降解法。6）半胱氨酸的氧化与还原反应
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4、氨基酸的分离纯化 （1）纸层析
原理：组成层析系统的固定相和流动相具有相反的极性。固定相为滤纸上的结合水(极性),流动相为展层液（非极性有机溶剂）。被分析的样品中的各组分与固定相亲和力大者，易留滞于原地，与流动相亲和力大者，易随流动相移动，因而达到分离的目的。 （2）薄层层析 （3）离子交换层析
原理：分离氨基酸时，用离子交换树脂作为支持物，利用离子交换树脂上的活性基团与溶液中的离子进行交换反应，由于各种离子交换能力不同，与树脂结合的牢固程度就不同，在洗脱过程中，各种离子以不同的速度移动，从而达到分离的目的。 （4）电泳
通过氨基酸在电场中泳动而达到分离各种氨基酸的技术 5、氨基酸的一般生产方法 （1）水解法
1）酸水解法：6~10mol/L的盐酸，110~120℃，12~24h
2）碱水解法：4~6mol/L的氢氧化钠或2~4mol/L氢氧化钡，100~110℃，6~24h 3）酶水解法：蛋白酶，适宜的温度、Ph值 （2）微生物发酵法 （3）化学合成法 （4）酶合成法 二、多肽 1、多肽的结构
肽是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的多聚化合物。其中的氨基酸单位称氨基酸残基。氨基酸间缩水形成的共价键称肽键。 （1）肽键
甘氨酰甘氨酸
肽键的结构特点：C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转
肽平面 —由肽键周围的6个原子组成的刚性平面。两相邻的肽键平面可以作相对旋转。 （2）肽链
氨基酸的顺序是N 端→C 端的排列顺序 2、多肽的性质
（1）旋光性 （2）两性解离及等电点 （3）化学反应
双缩脲反应：含有两个或两个以上肽键的化合物与碱性硫酸铜作用，生成蓝紫色的复合物，肽键越多颜色越深，受蛋白质特异性影响小，用于肽和蛋白质定量测定及测定蛋白质水解程度。
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3、生物体内的重要多肽
有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在，这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。
（1）谷胱甘肽GSH：在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，作用是保护巯基酶，或防止过氧化物积累 γ-COOH （2）激素类多肽：如 促甲状腺素释放激素（TRH） （3）抗生素类多肽：如 短杆菌肽S
第二章 蛋白质化学
一、蛋白质概论
1、定义：是一切生物体中普遍存在的，由天然氨基酸按照一定的顺序，通过肽键连接而成的一条或多条肽链构成的生物大分子；其种类繁多，各具有一定的相对分子质量、复杂的分子结构和特定的生物功能；是表达生物遗传性状的一类主要物质。 2、生物学重要性
（1）蛋白质是生物体的重要组成成分——分布广、含量高 （2）具有重要的生物学功能 1）催化生物化学反应（酶）
2）结构成分(结缔组织的胶原蛋白、皮肤的弹性蛋白、膜蛋白) 3）贮藏（卵清蛋白、种子蛋白）
4）物质运输（血红蛋白、脂蛋白、电子传递体） 5）细胞运动（肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白） 6）激素功能（胰岛素） 7）防御功能（抗体、血凝蛋白） 8）接受传递信息（受体蛋白、味觉蛋白）
9）调节细胞生长、分化和遗传信息的表达（组蛋白） （3）氧化供能 3、蛋白质的元素组成
主要有C、H、O、N 和 S
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％，这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据： 蛋白质含量＝蛋白质含N量×6.25
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4、蛋白质的分类 （1）按组成分类
单纯蛋白质：只含有氨基酸组成 例如RNA酶、血清清蛋白、肌球蛋白、肌动蛋白、角蛋白。 1）
2）结合蛋白：由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成，这些非蛋白成分包括糖、脂、核酸、色素等，又称为辅基或配体。 （2）按外形分类
1）球状：外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。但 肌动蛋白属于球状蛋白却不溶于水。 2）纤维状：分子类似纤维或细棒。
①不溶性纤维状蛋白质：大多数纤维状蛋白质属此类 如胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝蛋白。 ②可溶性纤维状蛋白质：肌球蛋白和血纤蛋白原可溶于水。 （3）按多肽链条数
1）单体蛋白质：仅含一条多肽链，如牛核糖核酸酶 2）多聚蛋白质：含两条或多条多肽链，如胰岛素、血红蛋白 二、蛋白质的分子结构层次
1、一级结构：蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。一级结构中包含的共价键主要指肽键和二硫键。
包括组成蛋白质的多肽链数目、多肽链的氨基酸顺序、多肽链内或链间二硫键的数目位置。 （1）一级结构测定的原则和基本流程
原则：将大化小，逐段分析，制成两套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后确定蛋白质的完整序列。 基本流程：
1）拆分蛋白质分子的多肽链——获得单条线形多肽链
①拆分非共价键：可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍处理。
②拆分二硫键：8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的β-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基。
2）鉴定多肽链的N-末端和C-末端残基——为氨基酸序列排列建立两个重要的参考点
①N端分析法：
A.二硝基氟苯法（DNFB法、Sanger降解法） B.丹磺酰氯法（DNS法）
C.苯异硫氰酸(酯)法（PITC法、Edman降解法） D.氨肽酶法 ②C端分析法：
A.肼解法：多肽与肼在无水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。
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3）用两种或几种不同的断裂方法将多肽链裂解成较小的片段——化大为小，获得短肽段
①酶解法：胰蛋白酶（赖氨酸和精氨酸的侧链），胰凝乳蛋白酶（苯丙氨酸、色氨酸和酪氨，嗜热菌蛋白酶等。 酸的侧链），胃蛋白酶（疏水性氨基酸处，pH2~3）
②化学法：溴化氰水解法，它能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。 4）测定各肽段的氨基酸序列;
方法：蛋白质序列分析仪
5）重建完整多肽链的一级结构——获得多肽链的完整序列
利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序。 6）确定半胱氨酸残基间形成的二硫键的位置
对角线电泳步骤： ①碘乙酰胺封闭-SH
②胃蛋白酶酶切蛋白质（pH2） ③第一向电泳（pH6.5）
④过甲酸氧化处理-S-S-键生成-SO3H ⑤第二向电泳（pH6.5） ⑥分离出含二硫键的两条短肽
⑦测序，与拼接出的多肽链比较，确定二硫键的位置。 7）酰胺基位置的确定
方法：酶解肽链，产生含有单个Asx或Glx的肽，用电泳法确定是Asp还是Asn。 2、二级结构
蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。主要化学键为氢键。 （1）二级结构单元的种类 1）α-螺旋
主要特点：
①绝大多数天然蛋白质都是右手螺旋；
②每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈；每圈间距0.54nm，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm，旋转100°。
③每个氨基酸残基的N-H都与前面第四个残基的C=O形成氢键
④螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧；链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;
侧链在α-螺旋结构的影响：
①α-螺旋遇到Pro就会被中断或拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸且有刚性的环状结构,且无H原子来形成氢键
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②R为Gly时，由于Cα上有2个氢，使Cα-C、Cα-N的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。R基大(如Ile)也不易形成α-螺旋。
③带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺旋的稳定性降低。
④R基较小,且不带电荷的氨基酸利于α-螺旋的形成,如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成α-螺旋。 2）β-折叠
β-折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片状结构
①α-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸残基之间的轴心距为0.35nm 。
②β-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。
③β-折叠有两种类型：平行式，即所有肽链的N-端都在同一边；反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。后者更为稳定。 3）β-转角（β-回折）
存在于球状蛋白中，其特点是肽链回折180°使得氨基酸残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键，第二个氨基酸通常是pro。β-转角都在蛋白质分子的表面，多数为亲水氨基酸组成。 4）无规则卷曲（自由卷曲）
指没有一定规律的松散肽链结构，但是其结构是明确而稳定的，常常构成酶的功能部位。 无规卷曲常出现在α-螺旋与α-螺旋、α-螺旋与β-折叠、 β-折叠与β-折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。 3、超二级结构（模块/模序）
指蛋白质中相邻的二级结构单位(即单个α-螺旋或β-转角)组合在一起，形成有规则的在空间上能辩认的二级结构组合体。在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。
基本形式：αα、βββ、βαβ 4、结构域
指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域 5、三级结构
多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成球状分子结构。 （1）结构特征：
①含有多种二级结构单元； ②具有明显的折叠层次； ③分子呈现球状或椭圆状；
④大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；而极性侧链在分子表面，形成亲水面。
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⑤分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心。 （2）维持三级结构的作用力
共价键——二硫键；非共价键——疏水作用、氢键、离子键、范德华力 6、四级结构
由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称为亚基。
结构特征： ①有多个亚基
②稳定性主要靠亚基间的疏水作用维持
③亚基单独存在时无生物活性或活性很小，只有通过亚基相互聚合成四级结构后，蛋白质才具有完整的生物活性。
④亚基间具有协同效应和变构效应 三、蛋白质的分子结构与功能的关系 1、一级结构与功能的关系 （1）一级结构是空间构象的基础
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。
（2）同源蛋白质一级结构是生物进化的分子佐证 （3）一级结构与分子病
患者血红蛋白（HbS）与正常血红蛋白（HbA）在β链第6位有一个氨基酸之差：Glu被替代为Val
（4）前体与活性蛋白质一级结构的关系 2、蛋白质空间结构与功能的关系
（1）变构效应：蛋白质与效应物的结合引起整个蛋白质分子构象发生改变,从而蛋白质的功能也发生相应改变的现象。
（2）协同效应：寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象。促进作用则称为正协同效应；抑制作用则称为负协同效应。 四、蛋白质的性质
蛋白质的两性电离：蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，1、
在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。
2、蛋白质的胶体性质：由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗粒，因而具有胶体溶液的特征（布郎运动、丁道尔现象、不能透过半透膜）。
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（1）蛋白质胶体稳定的因素：
①可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒表面形成水化层，其可防止分子互碰而聚集；
②蛋白质在非等电点状态时带同种电荷，在颗粒表面形成电荷层，同性电荷互斥，使分子不能聚集。
（2）蛋白质的沉淀作用：如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层（消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。 1）沉淀方法：
① 高浓度中性盐（盐析）：将高浓度硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐加入蛋白质溶液，使蛋白质表面水化膜被破坏。——蛋白质不变性
分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中的几种蛋白质分段析出。
例如：血清球蛋白（50%(NH4)2SO4饱和度），清蛋白（饱和(NH4)2SO4)。
② 等电点沉淀
③ 有机溶剂沉淀：使失去水化层相互聚集而沉淀。——可能引起变性
④ 重金属盐类沉淀：与重金属离子结合成不溶性蛋白盐而沉淀，破坏了电荷层。 ⑤ 生物碱试剂和某些酸类沉淀：与生物碱试剂结合成不溶性的盐而沉淀，破坏了电荷层。 ⑥ 加热变性沉淀——变性沉淀 2）沉淀类型：
可逆沉淀：分子内部、空间结构并未发生显著变化，基本上保持原有的性质，沉淀因素除去后，能再溶于水溶液中。如大多数蛋白质的盐析作用或在低温下用乙醇（或丙酮）短时间作用于蛋白质以及利用等电点的沉淀。（提纯蛋白质时常利用此类反应）
不可逆沉淀（变性沉淀）：蛋白质分子内部结构、空间构象遭到破坏，失去原来的天然性质，这时蛋白质已发生变性。这种变性蛋白质的沉淀不能再溶解于原来溶剂或水溶液中。如重金属盐、生物碱试剂，强酸、强碱、加热、震荡、超声波、有机溶剂等都能使蛋白质发生不可逆沉（临床医学上常被应用来消毒及灭菌） 淀反应。3、蛋白质的变性与复性 （1）变性
1）概念：蛋白质在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。 2）本质：破坏非共价键，不改变蛋白质的一级结构。
、还原性试剂3）因素：加热、有机溶剂、强酸、强碱、表面活性剂（十二烷基硫酸钠即SDS）（尿素、盐酸胍）、紫外线、机械力等。
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4）性质的改变：
①生物学功能的丧失（主要标志）；
②分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被酶消化；
③疏水基团外露，水化层破坏，溶解度降低，易形成沉淀析出，粘性增加，紫外吸收改变； ④ 丧失结晶能力。
注：蛋白质变性后，有时由于维持溶液稳定的条件仍然存在而并不析出蛋白质沉淀。
例如：在强酸碱中变性的蛋白质在强酸碱溶液中仍存在电荷效应，所以不表现为沉淀现象。相对地，沉淀的蛋白质也未必都已变性。
（2）复性：蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复或部分恢复其原有的构象和功能。 4、蛋白质的分子大小
蛋白质是分子量很大的生物分子，相对分子质量大于6000，最高可达40000000（烟草花叶
病毒）目前常用的方法包括：扩散系数、沉降超离心、凝胶过滤、渗透压、聚丙烯酰胺凝胶电泳。
五、蛋白质的分离纯化与测定 1、分离纯化
纯化的目标：尽量提高蛋白质的纯度或比活性，设法除去变性的和不需要的蛋白质，尽可能提高蛋白质的产量。根据蛋白质的性质加以选择，如分子大小，溶解度、电荷、吸附性质及生物亲和力等。
（1）根据分子大小不同的分离方法
①透析：根据的是蛋白质不能通过半透膜
的性质，而水和无机盐等小分子自由通过。此方法只能将蛋白质和小分子物质分开，不能将不同蛋白质分开。
超过滤：是利用外加压或离心使水和其他分子通过半透膜，蛋白质留在膜上，达到浓缩蛋白质溶液的目的。
②密度梯度离心：蛋白质颗粒沉降速度取决于它的大小和密度，颗粒沉降到与自身密度相等的介质梯度时，即停止不前，在离心力的作用下，各种蛋白质在不同密度介质中形成独立的区带。
③凝胶过滤（分子排阻色谱/分子筛层析）：是根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的方。大分子先法之一。常用葡聚糖凝胶（商品名为Sephadex)和琼脂糖凝胶（商品名为Sepharose）洗脱下来，小分子后洗下来。 （2）利用溶解度差别的分离方法
①等电点沉淀：利用各种蛋白质在等电点时，溶解度最小这一性质，通过调节蛋白质溶液的pH值，将不同的蛋白质分开。
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②盐溶：低浓度的中性盐在蛋白质分子表面形成双电层，使蛋白质溶解度增加； 盐析：高浓度的中性盐破坏蛋白质分子表面的水化层，使蛋白质溶解度降低，沉淀析出。 ③有机溶剂沉淀法：有机溶剂（与水相溶）争取蛋白质颗粒上的水膜，使之沉淀。此法沉淀蛋白质的选择性较高，且不需脱盐，但温度高时可引起蛋白质变性，故应注意低温条件。如冷乙醇法制备人体清蛋白和球蛋白。
（3）根据电荷不同的分离方法
①离子交换层析：不同载体：纤维素、交联葡聚糖（兼有分子筛效应）、交联琼脂糖 ②电泳：通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术，根据支撑物的不同可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。
几种重要的蛋白质电泳：
Ⅰ.聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE），是分离、鉴定蛋白质的常用方法；
单体—丙烯酰胺（Acr）和交联剂—N,N-甲叉双丙烯酰胺（Bis）在加速剂和催化剂的作用下聚合而成的高分子物质，具有三维网状结构和分子筛性质。
Ⅱ.等电点聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法；
Ⅲ.双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术，所有电泳技术中分辨率最高信息量最多。 （4）根据配体特异性的分离—亲和层析
根据蛋白质分子能与另一种称为配体的分子特异而非共价地结合。如：酶的作用底物、辅酶、调节效应物及其结构类似物，激素和受体蛋白，抗原和抗体互为配体。
步骤：配基的固相化、抗原的吸附、抗原的洗脱 2、蛋白质含量分析和纯度鉴定
（1）含量的测定：凯氏定氮法、双缩脲法、紫外线吸收法、福林-酚试剂法、考马斯亮蓝法 （2）纯度的鉴定：常用聚丙烯酰胺凝胶电泳法
高纯度：电泳得到均一的一条区带 低纯度：电泳得到几条区带
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第三章 酶
一、概述 1、概念
酶是一类由活细胞产生的对其特异底物具有高效催化作用的特殊蛋白质或核酸。 简单地说，酶是一类由活细胞产生的生物催化剂。 2、酶作为生物催化剂的特点 （1）高效性
酶的催化效率比化学催化剂高107-1013 倍，比非催化反应高108 -1020 倍 （2）专一性
酶只能对特定的一种或一类底物起作用，这种专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的。 ①绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作用于任何其它物质。 ②相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。
③立体异构专一性：这类酶还能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。 （3）反应条件温和
酶促反应一般在常温、常压、中性pH条件下进行。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。
（4）酶的催化活性可调节控制
如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。 3、酶的分类
（1）根据酶的化学组成分类：
①单纯酶：只含有蛋白质成分，如：脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。
②结合酶：含有蛋白成分（酶蛋白）和非蛋白成分（辅助因子）。
酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的种类与性质 （2）根据酶蛋白结构特点分类
①单体酶：由一条（或多条共价相连的）肽链组成的酶分子。一般为水解酶。 ②寡聚酶：由两条或多条肽链组成的酶分子。为大多数酶。
③多酶复合体：由多种酶靠非共价键彼此聚合形成的复合体, 催化连续的一系列相关反应。由单肽链构成的，含有若干个酶活性的结构域。如丙酮酸脱氢酶复合体。
④多功能酶：一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，往往是基因融合的产物。高等动物的脂肪酸合酶。
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5、酶的命名 （1）习惯命名方法：
①根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。 ②根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。 ③两个原则结合起来命名，如丙酮酸脱羧酶等。
④根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。 （2）国际系统命名法
包括底物名称、构型、反应性质。
例如：酶催化的反应:
谷氨酸 + 丙酮酸 α-酮戊二酸 + 丙氨酸
习惯名称:谷丙转氨酶
系统名称:丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶
（3）酶的国际分类法及编号
每个酶都有一个有四个数字组成的编号 6、酶的活力测定 （1）酶活力
①表示生物材料或酶制剂中酶量的物理量； ②只能用酶催化一定化学反应的能力来表示；
③即以在一定条件下酶所催化的化学反应(初)速度来表示；
④酶活力用单位时间内底物的减少量或产物的增加量表示，单位为浓度/单位时间。 （2）酶活力测定的基本原理
①在最优化条件下(最适温度、最适pH、最适缓冲液等) ②当底物足够（过量，[S]>>[E]） ）。 ③在酶促反应的初始阶段，酶促反应的速度（初速度）与酶的浓度成正比（即Vmax=K［E］（3）酶活力测定的方法
①化学分析法 ②分光光度计法 ③量气法
（4）酶活力的表示方法
：是衡量酶活力大小的计量单位，又称酶单位，规定条件（最适条件）1）酶活力单位U（Unit）
下一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。
①国际单位IU：在最适条件下每分钟转化1μmol底物所需要的酶量为一个酶活力单位。即1IU= 1μmol/min
②国际单位Kat：1972年，指在最适条件下1秒钟内转化1mol底物所需的酶量。 即1Kat=1mol/s 1 Kat=6×107IU，1 IU =16.67n Kat
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③习惯单位:在实际使用中,不同酶有各自的规定,如:
糖化酶活力单位:在规定条件下,每小时转化可溶性淀粉产生1mg还原糖(以葡萄糖计)所需的酶量为1个酶单位。
蛋白酶活力单位：规定条件下，每分钟分解底物酪蛋白产生1μg酪氨酸所需的酶量。 。实际应用中也2）比活力：每单位（一般是mg）蛋白质中的酶活力单位数（酶单位/mg蛋白）
用每单位制剂中含有的酶活力数表示，如：酶单位/mL（液体制剂），酶单位/g（固体制剂）
对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少），所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标。
在评价纯化酶的操作方法是优劣时，要同时考虑两个概念：纯化倍数与回收率 纯化倍数=某纯化操作后的比活力/粗提液的比活力 回收率=某纯化操作后的总活力/粗提液的总活力 总活力=单位体积的酶活力(U/ml)×分离溶液总体积(ml) 3）转换数（TN或Kcat）
在最适条件下，底物过量时，反应初始阶段，每秒钟每个酶分子催化中心转换底物的分子数，或每秒钟每摩尔酶催化中心转换底物的摩尔数。
可以折算为每摩尔酶催化反应的速度，即Kcat = Vmax /［E］ 二、酶催化反应的机制 1、酶的活性中心
（1）活性中心：酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基形成的一定空间结构。包括底物结合部位和催化部位。
结合部位：与底物结合，使底物与酶的一定构象形成复合物，决定酶的专一性。 催化部位：影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物转变成产物的部位，决定酶的催化效率和催化反应的性质。 （2）酶活性中心的特点：
①只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸；
②几个氨基酸残基在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同肽链上，通过肽链的盘绕折叠而在空间结构上相互靠近，形成一个能与底物结合并催化底物形成产物的位于酶蛋白分子表面的特化的空间区域；
③与底物的结合通过次级键；
④具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用； ⑤位于酶分子表面的“空穴”中，为非极性环境。 （3）必需基团
维持酶活性中心应有的空间构象及发挥正常的催化活性的基团，若将这些基团改变后会导致酶的催化活性减弱甚至丧失。
活性中心内外都可以有必需基团。
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2、酶作用专一性的机制
诱导契合学说：认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。 3、酶作用高效性的机制 （1）中间产物学说
酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。 （2）影响酶催化效率的有关因素 1）邻近效应和定向效应
在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心：
①底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；
②活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。 “张力”与“形变” 2）
底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶-底物中间产物进入过渡态。 3）酸-碱催化
酶分子中的广义酸、碱基团通过提供部分质子或接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的作用。 4）共价催化
催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程。 5）金属离子催化作用
①提高水的亲核性能：金属离子和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。 ②电荷屏蔽作用：酶中金属离子的一个重要功能。多种激酶的底物是Mg2+－ATP复合物。 ③电子传递中间体：许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。
6）酶活性中心的疏水环境效应 三、酶促反应动力学
研究酶促反应的速度以及影响酶反应速度的各种因素。 影响酶反应速度的因素有：底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂、抑制剂等。
1、底物浓度对酶促反应速度的影响 （1）V-S曲线
一级反应：低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比；
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混合级反应：底物浓度增大与速度的增加不成正比；
零级反应：底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值，此时再增加底物浓度，反应速度不再增加。 （Vmax）（2）米氏方程
德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式
Vmax—最大反应速度
Km—米氏常数，单位为mol/L
当反应速度等于最大速度一半时,即V=1/2Vmax时，Km=[S]。 米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。 1）米氏常数的意义：
①不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数；
②Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。
③表示酶与底物之间的亲和程度：
Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。 2）米氏常数的测定
基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。双倒数作图法 2、酶浓度对酶反应速度的影响
在有足够底物和其他条件不变的情况下，反应速度与酶浓度成正比 。 3、温度对酶反应速度的影响
温度升高,酶促反应速度加快。温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。在最适温度条件下,反应速度最大。
最适温度不是一个固定的常数，它随底物的种类、浓度、溶液的离子强度、pH、反应时间等的影响。反应时间短，最适温度高；反应时间长，最适温度低。 4、pH对酶反应速度的影响
酶的最适pH也不是一个固定的常数，它受到底物的种类、浓度、缓冲液的种类、浓度、酶的纯度、反应的温度、时间等的影响。
pH影响反应速度的原因：pH影响了酶分子、底物分子和ES复合物的解离状态。过高、过低的pH导致酶蛋白变性。 5、激活剂对酶反应速度的影响
凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。激活剂对酶的作用具有一定的选择性。 无机离子：阴离子：如Cl-、Br-、I-、CN- 等；一些金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+等；
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有机分子：还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽；金属螯合剂：EDTA 6、抑制剂对酶活性的影响 能够引起酶的活性降低或丧失的化合物称为抑制剂。抑制剂并非变性剂，抑制剂具有不同程度的选择性。 类型：
（1）不可逆抑制作用
抑制剂与酶反应中心的活性基团共价结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。 （2）可逆抑制剂
抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。
1）竟争性抑制：某些抑制剂的化学结构与底物相似，能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，酶促反应被抑制了。
例如丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用
特点：
①竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，二者竞争酶的结合部位； ②抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小； ③可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除； ④Vmax不变，Km增大
2）非竟争性抑制：酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导致酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的基团结合，不与底物竞争酶的活性中心，所以称为非竞争性抑制剂。
特点：
①抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性中心以外的基团结合；
②不能通过增大底物浓度的方法来消除； ③Vmax下降，Km不变。
3）反竞争性抑制：酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。
特点：
①抑制剂与酶和底物的复合物结合； ②底物浓度增加，抑制作用加强； ③Vmax和Km下降。
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四、酶的活性调节
包括：调节酶浓度：酶的诱导与阻遏、酶的选择性降解；调节酶活性：别构调节、可逆的共价修饰、酶原激活、同工酶形式的调节。 1、别构调节（变构调节）
（1）定义：酶分子与某些化合物非共价结合后发生构象改变，从而引起酶活性的变化。
受别构调节的酶称别构酶（变构酶），引起酶的活性受到别构调节的化合物称效应物（别构剂）。正效应物——别构激活；负效应物——别构抑制 （2）别构酶的特点
①一般是寡聚酶，由多亚基组成；
②具有活性中心和别构中心，它们位于不同的亚基或同一亚基的不同部位上；
③多数别构酶不止一个活性中心，活性中心间有协同效应，酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响酶和另一个配体（底物）的结合能力；有的别构酶不止一个别构中心，可以接受不同化合物的调节；
④不遵循米氏方程，动力学曲线为S型（正协同效应）或表观双曲线（负协同效应） 2、共价调节酶
酶分子被其他酶催化进行可逆的共价修饰，从而引起酶活性的改变。
常见的是磷酸化/脱磷酸化，腺苷酰化/脱腺苷酰化，乙酰化/脱乙酰化，尿苷酰化/脱尿苷酰化，甲基化/脱甲基化，S-S/SH相互转变，共6种类型。
最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶 3、酶原及酶原的激活 （1）酶原：酶无活性的前体。
（2）酶原的激活：从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。 （3）酶原激活的本质：是酶活性部位形成或暴露的过程。 （4）酶原存在的意义：
消化道内蛋白酶以酶原形式分泌，避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定部位和环境中发挥作用；此外，酶原可视为酶的储存形式，如凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转化为有活性的酶。 4、同工酶
能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。
同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中。在生长发育的不同时期和不同条件下，都有不同的同工酶分布。
存在的意义：同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一种调节方式，当一种同工酶受到抑制或破坏时，其他同工酶仍起作用，从而保证代谢的正常进行。
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第四章 核酸化学
一、概述
核酸（NA）是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。
核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。 核酸的种类和分布：
生物细胞都含有DNA和RNA； 病毒中只含DNA或只含RNA。
二、核酸的化学组成
核酸是由几十个甚至几千万个核苷酸聚合而成的具有一定空间结构的生物大分子。
基本元素：C、H、O、N、P ；其中P 的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定P 的含量来推算核酸的含量（定磷法）。 1、碱基
（1）常见碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）、尿嘧啶（U） （2）修饰碱基：大部分是上述碱基的甲基化产物，次黄嘌呤、黄嘌呤、尿酸、二氢尿嘧啶。 2、核糖和脱氧核糖
DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。 3、核苷
戊糖和碱基缩合而成的糖苷，糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。 4、核苷酸
核苷中戊糖的羟基磷酸酯化形成核苷酸。 5、游离核苷酸及其衍生物的形式 （1）继续磷酸化
例如腺苷酸（AMP）可以磷酸化产生二磷酸腺苷和三磷酸腺苷。 （2）环化磷酸化
例如环化腺苷酸（cAMP）和环化鸟苷酸（cGMP），分别具有放大激素作用信号和缩小激素作用信号的功能，成为激素的第二信使。 （3）辅酶
NAD、NADP、FAD、HSCoA
（4）GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白，生物合成和多糖生物合成的活性糖基供体。 三、核酸的分子结构 1、DNA的结构
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（1）一级结构:DNA核苷酸链中脱氧核苷酸的组成和排列顺序。也可指DNA分子中碱基的顺序。
由dAMP、dGMP、 dCMP、 dTMP核苷酸单体通过3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’-磷酸端（常用5’-P表示）；3’-羟基端（常用3’-OH表示）当表示一个核苷酸链时，必须注明它的方向是5’→3’或是3’→5’。
（2）二级结构：DNA的两条多聚链间通过氢键形成的双螺旋结构。 1）提出DNA双螺旋结构模型的根据：
①Chargaff定则：DNA碱基组成符合： A=T；G=C； A+G=T+C；不对称比率：A+T/G+C； 物种不同，DNA碱基组成不同；物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比率越相近似；具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响碱基组成。
②x-光衍射分析
2）DNA双螺旋结构模型 ①螺旋中的两条链反向平行，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。 ②疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，碱基平面与螺旋轴垂直，脱氧核糖平面与中心轴平行；碱基互补配对，A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。
③在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为大沟和小沟，二者交替出现。
④双螺旋横截面的直径约为2 nm，相邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）的高度为3.4 nm。 3）DNA的双螺旋结构稳定因素
氢键、碱基堆积力（主要）、磷酸基上负电荷被细胞内组蛋白或正离子中和 4）DNA的双螺旋结构的意义：
该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。 （3）三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象——超螺旋
超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象。正超螺旋（变紧，过旋）和负超螺旋（变松，欠旋）。
（4）真核生物中DNA的存在形式——核小体
真核生物中DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心的短轴绕1.75圈，形成右手超螺旋，称核小体。是染色质的基本结构单位。串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色质。 （5）基因和基因组
基因即一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位；一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组。 2、RNA的分子结构 （1）RNA的特点
①碱基组成：A、G、C、U（A＝U/G≡C） ②稀有碱基较多，稳定性较差，易水解；
③多为单链结构，少数局部形成螺旋（发夹结构）； ④分子较小。
（2）分类：信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（r RNA）
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1）mRNA：
①约占总RNA的3%-5%，含量最少，种类最多； ②成熟mRNA不含内含子，hnRNA含有内含子；
③mRNA从DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。 2）rRNA：
①约占全部RNA的80%，含量最多；
②与多种蛋白质结合成核糖体，后者是合成蛋白质的场所。 3）tRNA：
①约占总RNA的10-15%，分子最小；
②翻译mRNA信息，并将相应的氨基酸转运到核糖体上，参与蛋白质合成； ③已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。 （3）RNA分子的结构特点 1）mRNA：在转录一章讲授
2）rRNA：单链，螺旋化程度较tRNA低；与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能 3）tRNA：二级结构特征——单链，三叶草叶形，四臂四环；
三级结构特征——在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型。 四、核酸的性质及研究技术 1、一般物理性质
①DNA白色纤维状固体，RNA白色粉末状固体，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇来沉淀DNA；DNA溶液黏度大于RNA。
②DNA难溶于0.14mol/L的NaCl溶液，可溶于1-2 mol/L的NaCl溶液，RNA则相反，可据此分离二者。
③加热条件下，D－核糖＋浓酸＋苔黑酚 绿色 D－2－脱氧核糖＋浓酸＋二苯胺 蓝紫色 2、核酸的水解
①核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断； DNA和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别； ②核酸分子受DNA酶作用。 3、两性解离
①核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可发生两性解离； ②核酸相当于多元酸，pH大于4时，呈阴离子状态； ③可用离子交换树脂进行分离。 4、紫外吸收
①在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键体系，在260nm有最大吸收； ②可以进行核酸纯度鉴定和浓度的测定，也可作为核酸变性和复性的指标。 根据A260/A280的比值判断核酸样品的纯度：纯DNA：A260/A280=1.8 ；纯RNA：A260/A280=2.0 纯的核酸样品可根据260nm的光吸收值算出其浓度：若260nm光吸收值为1相当于50μg/ml双螺旋DNA或相当于40μg/ml单链DNA或RNA或相当于20μg/ml寡核苷酸。 5、DNA的稳定性
①DNA的溶液呈粘稠状，但实际上DNA的双螺旋结构僵直而有刚性，易断成碎片，这也是目前难以获得完整大分子DNA的原因；
22
②溶液状态的DNA易受DNA酶作用而降解，抽干水分的DNA性质十分稳定。 6、DNA的变性
（1）概念：指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。 （2）DNA的变性条件：加热、极端pH（>11.3或<5.0）、有机溶剂（甲醛和尿素、甲酰胺等）、低离子强度。
（3）DNA变性的特征
①变性核酸将失去其部分或全部的生物活性； ②变性改变DNA的二级结构，并不涉及磷酸二酯键的断裂，一级结构(碱基顺序)保持不变； ③DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成；
DNA解链温度：当50% 的DNA变性时的温度称为该DNA的解链温度，即增色效应达到一半时的温度；一般DNA的Tm值在70-85°C之间。分子中G和C的含量越高，越不易变性，Tm值越高。可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)×2.44。
影响Tm值的因素：DNA的均一性、DNA中G-C对的含量、盐离子强度 ④紫外吸收值明显增加，即增色效应；
增色效应：天然DNA分子在热变性条件下，双螺旋结构破坏，碱基暴露，在紫外光260nm波长处的吸收度明显增加；
减色效应：变性DNA分子复性形成双螺旋结构时其紫外吸收降低的现象。 ⑤粘度降低，沉降系数增加。 7、DNA的复性与杂交
（1）复性的概念：变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，其物理性质和生物活性随之恢复。（生物活性一般只能得到部分的恢复） （2）DNA的复性条件
淬火：将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性
退火：热变性的DNA，在缓慢冷却的条件下可重新结合恢复双螺旋结构 退火温度＝Tm－25℃
分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性需要一定的盐浓度，也与它本身的组成和结构有关。
（3）影响复性的因素：样品的性质、DNA的浓度、DNA片段的大小、温度、离子强度 （4）复性动力学：DNA的复性过程是一种双分子反应 k′S+S→D
（5）分子杂交：在变性的DNA溶液中加入外源DNA单链分子或RNA单链分子（与原DNA具有同源性），去掉变性条件后复性形成双螺旋结构的过程。利用核酸杂交可检测特定的核苷酸片段或研究同源性等。
种类：DNA-DNA杂交、DNA-RNA杂交、抗原-抗体进行杂交、原位杂交：活体组织上进行杂交，显出荧光。
8、核酸的浓度与纯度测定
核酸浓度的测定：定磷法、定糖法、紫外吸收法 核酸纯度的测定：A260/A280、电泳
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第五章 遗传信息的复制与表达
一、DNA的生物合成 1、DNA的复制 （1）复制特点
1）半保留复制：子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的
半不连续复制：DNA复制时,一条链是连续的,另一2）
条链是不连续的 3）复制条件
①高能的底物：dATP、dGTP、dCTP、dTTP；
②酶及蛋白因子：DNA聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、单链DNA结合蛋白、引物酶、DNA连接酶等参与；
拓扑异构酶：使超螺旋松解或形成。拓扑异构酶Ⅰ能切断DNA的一条链，解除超螺旋结构，只能作用于负超螺旋。拓扑异构酶Ⅱ（旋转酶）切断DNA的两条链，待正超螺旋解除后再使两条链重新接上。
DNA解螺旋酶：将DNA双螺旋结构解除
单链DNA结合蛋白（SSB）：防止解开的DNA单链被酶水解以及重新结合成双链 DNA聚合酶：
原核细胞——DNA聚合酶Ⅰ，具有对DNA分子的3’端和5’端的水解活性；冈崎片段的引物消除和缺口的填补；
真核细胞——DNA聚合酶α，具有引物合成和核DNA合成的功能 引物酶：在DNA模板链的指导下催化小片段RNA生成引物
DNA连接酶：催化双链DNA分子中单链切割处的5’-磷酸基和3’-羟基生成磷酸二酯键，连接冈崎片段
③模板：分别以DNA两条链为模板合成新的DNA链；
④引物：由引物酶催化一小段RNA，可提供3-OH末端，使dNTP依次聚合。 （2）原核生物的DNA聚合反应——单起点双方向复制 （3）真核生物的DNA聚合反应——多起点双方向复制
习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子。复制子是独立完成复制的功能单位。
比较
细胞 复制子 起始位点
真核细胞 1000个以上
多个
δ（具3’→5’外切酶活性）
速度 方向
较快
双向为主，也有单向
24
原核细胞 1个 1个
DNA聚合酶 α、β、γ（均不具外切酶活性） Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
较慢 双向
（4）复制的忠实性
①DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则） ②DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3’-5’外切酶切除） ③起始时以RNA作为引物 2、逆转录
（1）概念：以RNA为模板合成DNA。通过逆转录作用生成的DNA称为cDNA。 （2）逆转录酶的三种功能
①依赖RNA的DNA聚合酶活力 ②核糖核酸酶H活力
③依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力 3、体外DNA复制—PCR
步骤：
①变性：一般选用95℃左右1min，使DNA双链解为单链 ②复性：按引物实际情况确定适当温度，时间一般30s至1.5min
③延伸：一般72℃ 1min，在4种dNTP存在的条件下，由耐热的Taq DNA聚合酶催化引物由5’ －3’扩增延伸，形成两条新的双链DNA分子，并作为下一循环的模板
④循环：按初始模板浓度确定，一般次数25－45之间 二、RNA的生物合成 1、转录[特点] 基因表达的第一步，以一条单链DNA为模板，按碱基互补配对原则合成RNA分子。在依赖DNA的RNA聚合酶的作用下，RNA聚合酶不需要引物。模板单链（反义链、负链） DNA的方向为3’ →5’, 而非模板单链（有义链、正链）DNA的方向与RNA链相同，均为5’→ 3’。
转录原点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值 （1）DNA指导下的RNA聚合酶 1）原核生物RNA聚合酶：σ因子+核心酶
σ因子：蛋白质因子，负责模板链的选择和转录的起始，是核心酶的别构效应物，使全酶增强全酶与R,Bsite的专一性结合，导致RNA专一性识别模板上的启动子；修饰RNApol构象，链的延伸缓慢。
核心酶（α2ββ’）：两个α亚基、一个β亚基和一个β’亚基组成，各亚基功能不同 2）真核生物RNA聚合酶：含量极少，不易纯化。RNA聚合酶Ⅱ对于α-鹅膏蕈碱最为敏感，存在于核质中，功能使合成mRNA和snRNA （2）转录过程 1）转录启动 启动子——指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。 RNA合成从5端开始，第一个底物常是ATP或GTP
25
原核生物启动子：
①Pribnow Box：转录起点-10左右，大多为TATAAT序列，RNA酶的牢固结合位点； ②Sextama Box：转录起点-35附近，序列为TTGACA，RNA聚合酶初始结合位点，依靠其σ亚基识别。 2）转录延长 3）转录终止 终止子——基因末端提供转录停止信号的DNA序列。两类终止子有着共同的序列特征，在转录终止点之前有一段回文序列。
①弱终止子—依赖Rho (ρ)因子的转录终止：在ρ因子（终止因子）帮助下终止。
②强终止子—非依赖Rho因子的转录终止：富含GC的回文序列和随后一段富含AT的结构。 2、真核生物pre-mRNA转录后加工 1）5’端形成帽子结构：N7-甲基鸟苷酸（m7GpppX）或其衍生物。m7GpppX称为帽子0，m7GpppXm为帽子1，m7GpppXmpYm为帽子2。
功能：
①使mRNA免遭核酸酶的破坏
②使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质
③被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成
2）3’端加尾——poly（A）尾巴
功能：
①是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 ②它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性 3）甲基化
4）剪接：将内含子切除而将外显子连接起来
不均一核RNA(hnRNA)：真核细胞核内的初级mRNA。
是细胞内有小核RNA。它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体的主要成分，snRNA：
参与mRNA前体的加工过程。
断裂基因(splite gene)：真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质。
外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。
选择性剪接：一个相同的初级转录产物，在不同的组织中由于剪接作用的差异，可以产生具有不同编码的成熟mRNA，导致翻译生成不同的蛋白质产物。是基因表达调控的一个重要环节。选择性剪接方式所产生的多个蛋白质称为同源体。
26
真核生物转录单位
5）编辑
生物学意义：
①形成/删除AUG, UAA, UAG, UGA…
②改变codon信息 ③扩大编码的遗传信息量
④较大程度地改变了DNA的遗传信息，使该基因的DNA序列仅是一串简略意义模糊的序列或称为隐秘基因、模糊基因
⑤中心法则的发展 三、蛋白质的生物合成 1、蛋白质合成体系 （1）mRNA和遗传密码：
1）mRNA：蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。 2）遗传密码：DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。
密码子：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸或合成的起始与终止信号。
遗传密码的性质：
①方向性：从mRNA的5’到3’；
②连续性：编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密码子到终止密码子构成一个完整的读码框架（不包括终止子），又称开放阅。在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误（移码） 读框架（ORF）
③简并性：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子。密码的简并性可以减少有害突变。只有Met和Trp没有简并密码。
④变偶性：密码的简并往往表现在密码子的第三位碱基上，tRNA上的反密码子与mRNA密码子匹配时，密码子第一、二位碱基配对都是严格的，第三位碱基可以有一定的变动。
原核生物和真核生物mRNA的比较
合成部位 前体及加工 结构
真核生物 主要在核质中合成 hnRNA，需加工
单顺反子
原核生物 在细胞的同一室中合成 合成后不需加工 多顺反子 不具帽子和poly（A）
稳定性
较稳定，半衰期24小时以上
不稳定，半衰期约2分钟
5’具有帽子，3’具有poly（A） 各顺反子间有间隔（非编码）序列
原核生物mRNA起始密码子AUG的上游10个（7~12）碱基处有一段富含嘌呤碱基的序列称SD序列，能与核糖体小亚基16SrRNA 3’-端反向互补，从而在翻译起始过程中将核糖体小亚基固定在AUG附近。
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（2）tRNA
在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。
结构特征：
①3’-端上的氨基酸接受位点 ②识别氨酰- tRNA合成酶的位点 ③核糖体识别位点 ④反密码子位点 （3）核糖体
由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。
P位（结合肽酰-tRNA的部位）、A位（结合氨酰- tRNA的部位） （4）参与翻译的蛋白质因子
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2、蛋白质合成的机理 （1）氨基酸的活化
步骤1：在Mg2+或Mn2+参与下，由ATP供能，氨酰-tRNA合成酶（E）接纳活化的氨基酸并形成中间复合物
步骤2：中间复合物与特异的tRNA作用，将氨基酸从AMP转移到tRNA的氨基酸臂（即3’端CCAA-OH上）
氨酰- tRNA合成酶特点：
①专一性：每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。对tRNA 也具有极高专一性。
②校对作用：氨酰- tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。 （2）原核生物多肽链的合成过程 1）起始：
原核细胞中有一种特异的甲酰化酶，能够使得tRNAiMet 中的氨基发生甲酰化生成 fMet-tRNAiMet,使其参与翻译的起始而不参与肽链的延伸过程。 2）延长：进位→肽键形成→移位
3）终止：释放因子RF1或RF2进入核糖体A位→多肽链的释放→70S核糖体解离 （3）多核糖体与核糖体循环 （4）真核生物多肽链的合成
1）真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂； 2）起始氨基酸为Met，不是fMet；
3）肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5’端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG；
4）起始因子有12种，但只有2种延长因子和1种终止因子；
5）真核细胞中线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。 3、多核糖体与核糖体循环 4、肽链合成后的折叠与加工修饰
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第六章 生物氧化
一、生物能学
应用物理化学、生物物理学和量子物理学的原理和方法，来研究生物系统中能量的流动和传递规律的科学。
高能化合物：生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（>21kJ/mol或5千卡/摩尔）的化合物
ATP的特点：在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离，具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′= -30.5kJ/mol）。 子形式（ATP4-）
ATP的特殊作用： ①是细胞内的“能量通货”
②是细胞内磷酸基团转移的中间载体自由能的作用 二、生物氧化
1、概念：物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程。 2、生物氧化的特点 ①只能在活细胞的温和条件下进行
②需要一系列酶、辅酶和中间传递体参与，反应途径迂回曲折，井然有序
③生物氧化中的能量逐步释放，大部分能量储存在ATP中，不会因为能量的骤然释放而对机体产生损害，同时逐步释放的能量可以被生物体充分、有效地利用 3、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成 （1）CO2的生成
方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，在酶催化下脱羧而生成CO2。 （2）H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 4、生物氧化的三个阶段
阶段一：大分子降解成基本结构单位
脂肪→脂肪酸、甘油；多糖→葡萄糖、其他单糖；蛋白质→氨基酸 阶段二：小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）
阶段三：共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。 三、线粒体电子传递体系 1、线粒体结构特点 2、电子传递链的概念
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（1）有机物代谢脱下的成对氢原子（2H）经过一系列有严格排列顺序的传递体系，逐步从高能向低能传递，最终与氧结合生成水，这样的传递体系称为电子传递链。其中释放的能量被用于合成ATP。
（2）在真核生物细胞内，酶和辅酶按一定顺序排列在位于线粒体内膜上；原核生物中，位于细胞膜上。
传递氢的酶和辅酶——递氢体 传递电子的酶和辅酶——递电子体
（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子传递体。 3、呼吸链的组成和顺序 根据代谢物上脱下的初始氢受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链 （1）复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶
功能：将电子从NADH传递给CoQ
辅基：FMN（氢原子传递体），铁硫蛋白（电子传递体） 泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自 由泳动。它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。（2）复合体Ⅱ：琥珀酸- CoQ还原酶
功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ 辅基：FAD、Fe-S、Cytb560 （3）复合体Ⅲ：CoQ -细胞色素C还原酶
功能：将电子从CoQ传递给Cytc 组成：Cytb、Fe-S、Cytc1
细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的色蛋白，分a、b、c三类，每类中又分几种亚类。 （4）复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶
功能：将电子从Cytc最终传递到O2 组成：Cyta、Cyta3、Cu 4、线粒体外NADH的氧化
胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制（穿梭机制）主要有：
（1）α-磷酸甘油穿梭系统（主要存在于骨骼肌、神经细胞） （2）苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（主要存在于肝、心肌组织）
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5、电子传递抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。
四、氧化磷酸化作用
呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式。 1、偶联部位 NADH与Q之间；Ctyb与Cytc之间；Cytaa3与O2之间 根据P/O比值和自由能变化，推测氧化磷酸化的偶联部位。
P/O比值：物质氧化时，每消耗1mol氧原子所生成的ATP的摩尔数。 2、氧化磷酸化的偶联机理
化学渗透假说：电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞液侧，产生膜内外质子电化学梯度，储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
ATP合酶：疏水部分F0起离子通道作用，亲水部分F1催化ATP合成。 3、氧化磷酸化的解偶联作用
（1）解偶联剂：增加线粒体内膜对质子的通透性。破坏跨膜梯度的形成，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制ATP的生成，不抑制电子传递，使电子传递产生的自由能都变为热能散失。
如：2，4—二硝基苯酚（DNP），FCCP
（2）氧化磷酸化抑制剂：阻止质子从F0质子通道回流。抑制氧的利用又抑制ATP的形成。
如：寡酶素
（3）离子载体抑制剂：增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性。
如：缬氨霉素，短杆菌肽
（4）解偶联蛋白
褐色脂肪线粒体内含有产热素，控制着线粒体内膜对质子的通透性，刺激质子流使其通过该激素蛋白并使氧化磷酸化解偶联从而产生热量。
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第七章 糖代谢
一、糖类化学
1、糖的概念：糖即碳水化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。 2、分类：根据其水解产物的情况，糖主要可分为 （1）单糖：不能再水解的糖
如：葡萄糖（己醛糖）、果糖（己酮糖）、半乳糖（已醛糖）、核糖（戊醛糖）
（2）寡糖：能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连
如：麦芽糖、蔗糖、乳糖
（3）多糖：能水解生成多个分子单糖的糖
如：淀粉（植物中养分的储存形式）、糖原（动物体内葡萄糖的储存形式）、纤维素（作为植物的骨架）
（4）结合糖：糖与非糖物质的结合物
如：糖脂、糖蛋白
3、糖的生理功能
（1）氧化供能——主要功能
（2）提供合成体内其他物质的原料：可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质。 （3）参与组成细胞结构：纤维素和细菌多糖是细胞壁组分,糖脂是生物膜的组分。
（4）是体内一些重要生理活性物质的组成成分：决定血型种类、机体免疫、细胞识别、信息传递等重要生理功能的因子含有糖分子。 二、糖的酵解及厌氧发酵 1、糖酵解途径（EMP） （1）定义：葡萄糖分解成丙酮酸并释放少量能量的过程 （2）反应部位：细胞液（胞浆） （3）生化历程——三个阶段十步反应 阶段一：葡萄糖的磷酸化（消耗能量）
，ATP①葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖：己糖激酶（HK）催化（酵解过程第一个限速酶）提供能量和磷酸基团，Mg2+作为酶的必需激活剂。——耗能不可逆反应
②6-磷酸葡萄糖异构化转变为6-磷酸果糖：磷酸己糖异构酶催化，需要Mg2+，反应可逆。③6-磷酸果糖再磷酸化生成1,6-二磷酸果糖：6-磷酸果糖激酶-1（PFK1）催化（第二个限速酶），消耗ATP，需要Mg2+参与，反应不可逆。
限速酶/关键酶的特点：a催化不可逆反应；b催化效率低；c受激素或代谢物的调节；d常是在整条途径中催化初始反应的酶；e活性的改变可影响整个反应体系的速度和方向
阶段二：磷酸己糖的裂解
④1,6-二磷酸果糖裂解为磷酸丙糖：醛缩酶催化，生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。 ⑤磷酸丙酮的相互转化：在磷酸丙糖异构酶催化下可互相转变，是一个吸能反应。
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阶段三：丙酮酸的生成（产生能量）
⑥3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸：3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，脱氢并磷酸化，反应中的磷酸来自细胞质中的无机磷。
——糖酵解中唯一的脱氢反应、第一个形成高能化合物的步骤
⑦1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸：磷酸甘油酸激酶催化，需要Mg2+，生成ATP和3-磷酸甘油酸。——第一个产生ATP的反应、第一次底物水平磷酸化
底物水平磷酸化：由高能化合物分子中的高能磷酸基直接使ADP磷酸化生成ATP的方式
磷酸甘油酸变位酶催化，必需Mg2+参与，反应可逆。 ⑧3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸：
⑨2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸：烯醇化酶催化，需要Mg2+或Mn2+参与，生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）——第二种高能磷酸化合物
⑩磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸：丙酮酸激酶催化（第三个限速酶），需要Mg2和K+，磷酸烯醇式丙酮酸分子高能磷酸基团转移给ADP生成ATP—第二次水平磷酸化，不可逆
总反应式：G+2NAD++2ADP+2Pi→2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP+2H2O （4）反应特点：
①是一个不需氧的产能过程；
②反应中释放能量较少，净生成2分子ATP（若从糖原开始酵解净生成3分子） ③反应全过程中有三步不可逆的反应，对应三个关键酶——己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。其中6-磷酸果糖激酶-1催化活性最低，是最重要的限速酶，其活性大小对糖的分解代谢速度起着决定性的作用。
④一次脱氢，生成NADH＋H（5）生理意义
①是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。如：剧烈运动、人到高原
②是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。如：红细胞、白细胞、骨髓细胞 ③是肌肉在有氧条件下进行收缩时迅速获得能量的主要途径。 ④糖酵解的中间产物是某一些物质的合成原料
（除葡萄糖外，其它己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径。）
＋
2、丙酮酸的去路
（1）丙酮酸的无氧还原/厌氧发酵
：在乳酸脱氢酶催化下生成乳酸 1）乳酸发酵（动物，藻类、乳酸菌）
：丙酮酸脱羧酶作用下生成乙醛，乙醇脱氢酶作用下生成乙醇 2）酒精发酵（酵母菌、植物）
（2）丙酮酸的氧化脱羧——乙酰CoA的生成
糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体基质，在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。
丙酮酸脱氢酶系位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。
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三、葡萄糖的有氧分解代谢 概念：糖的有氧氧化指在1、
机体氧供充足时，葡萄糖彻并产底氧化成H2O和CO2，生大量ATP的过程。是机体主要供能方式。 2、部位：胞液及线粒体 3、反应过程 阶段一：酵解途径 阶段二：丙酮酸的氧化脱羧 阶段三：三羧酸循环
（1）定义：指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。又称为柠檬酸循环或Krebs循环。 （2）反应部位：线粒体基质 （3）反应过程：
阶段一：柠檬酸的生成
①乙酰CoA与草酰乙酸缩合为柠檬酸：柠檬酸合酶催化（三羧酸循环的第一个限速酶） ②柠檬酸异构成异柠檬酸：顺乌头酸酶催化，可逆反应 阶段二：氧化脱羧
③异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸：异柠檬酸脱氢酶催化（第二个限速酶、最重要的限速酶）。反应脱下的2H由NAD+接受生成NADH＋H。——第一次氧化脱羧
α-酮戊二酸脱氢酶系催化（类似丙酮酸脱氢酶系），④α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA：
反应高度不可逆，是三羧酸循环中第三个限速酶系和重要调节点。——第二次氧化脱羧
⑤琥珀酰CoA生成琥珀酸：琥珀酰CoA合成酶催化，生成GTP通常可将高能磷酸基团转移给ADP磷酸化生成ATP。——唯一发生底物水平磷酸化反应
阶段三：草酰乙酸再生
⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸：琥珀酸脱氢酶（位于线粒体内膜）催化，可逆，此酶的辅基FAD接受琥珀酸脱下的氢还原为FADH2——唯一以FAD为受氢体的脱氢反应
⑦延胡索酸加水生成苹果酸：延胡索酶催化，反应可逆
⑧苹果酸脱氢再生成草酰乙酸：苹果酸脱氢酶催化，苹果酸脱氢生成草酰乙酸的同时NAD+
接受氢还原生成NADH＋H，反应可逆
（4）过程总结：一次循环，八步反应，消耗一分子乙酰CoA，经四次脱氢，二次脱羧，一次底物水平磷酸化，生成1分子FADH2，3分子NADH+H+，2分子CO2，1分子GTP/ATP。
反应式：CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP 1GTP→1ATP，3NADH→9ATP，1FADH2→2ATP，共12ATP
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＋
＋
（5）反应特点
①是在有氧条件下进行的连续反应过程 ②是乙酰基彻底氧化的过程
③有3个限速酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶系，后两者最重要。 （6）生理意义
①是三大营养物质氧化分解的共同途径； ②是三大营养物质代谢联系的枢纽； ③为其它物质代谢提供小分子前体； ④生物体获得能量的最有效方式。
1分子葡萄糖彻底氧化可净生成38（或36）分子ATP 阶段四：氧化磷酸化
四、磷酸戊糖途径（HMS途径、磷酸戊糖旁路）
1、定义：从6－磷酸葡萄糖开始，不经糖酵解和柠檬酸循环，在6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化下形成6-磷酸葡萄糖酸，经氧化脱羧代谢生成磷酸戊糖，磷酸戊糖分子再经重排最终转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的过程。 2、部位：细胞液 3、反应历程：
阶段一（氧化阶段）：6分子的6－磷酸葡萄糖经脱氢、水合、氧化脱羧生成6分子5－磷酸核酮糖、12NADPH和6CO2。
6×6-磷酸葡萄糖+12NADP+→6×5-磷酸核酮糖+12(NADPH+H+)+6CO2
阶段二（基团转移阶段）：： 6分子5－磷酸核酮糖经一系列基团转移反应异构成5分子6－磷酸葡萄糖回到下一个循环。
6×5-磷酸核酮糖→5×6-磷酸果糖
总反应式：6×6-磷酸葡萄糖+12NADP+→5×6-磷酸果糖+12（NADPH+H+)+6CO2 4、主要特点：
①6-磷酸葡萄糖直接脱氢脱羧,不必经过EMP和TCA ②两次脱氢脱下的氢均由NADP+接受生成NADPH + H+
③催化第一步脱氢反应的6-磷酸葡萄糖脱氢酶是此代谢途径的关键酶；
④反应过程中进行了一系列酮基和醛基转移反应，经过了3、4、5、6、7碳糖的演变过程。磷酸戊糖经复杂的转化重新生成磷酸己糖。 5、生理意义
①生成的5－磷酸核糖是合成核酸及核苷酸辅酶的必要原料； ②NADPH＋H作为供氢体，参与体内许多重要的还原性代谢反应。 五、糖原合成与糖异生 1、糖原的合成
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＋
（1）定义：指由葡萄糖合成糖原的过程
（2）合成部位：组织定位：主要在肝脏、肌肉；细胞定位：胞浆。 （3）糖原储存的主要器官及其生理意义：
糖原是动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。 肌肉：肌糖原，180~300g，主要供肌肉收缩所需； 肝脏：肝糖原，70~100g，维持血糖水平。 （4）糖原的合成途径
①葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖：己糖激酶、葡萄糖激酶（肝）催化，消耗ATP ②6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖：磷酸葡萄糖变位酶催化 （UDPG） ③1-磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖
UDPG可看作“活性葡萄糖”，在体内充作葡萄糖供体。
④形成α-1,4-糖苷键的葡萄糖聚合体：糖原合酶催化
糖原n为原有的细胞内的较小糖
原分子，称为糖原引物，作为UDPG上葡萄糖基的接受体。 （5）糖原分枝的形成
分支酶[（1,4→1,6）-转葡萄糖苷酶]，催化糖原支链的形成。分支酶从延伸的葡萄糖链的非还原端除去至少含有6个葡萄糖残基的寡酶链，转移到新的分支点葡萄糖基的位置，并催化形成α（1→6）糖苷键。 （6）糖原合成的特点
①反应部位； ②糖原合酶是关键酶； ③需要糖原引物；
④每加上一个葡萄糖残基消耗3分子ATP。 （7）糖原合成的意义
①有效地调节血糖浓度； ②合理地贮存能源。 2、糖异生
（1）定义：由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程
（2）部位：主要在肝脏，其次在肾脏（主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体）。
（3）过程：基本上是糖酵解的逆过程。酵解途径中有3个由关键酶催化的不可逆反应，在糖异生时，须由另外的反应和酶代替。
原料主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸等 （4）意义：
①维持血糖浓度恒定；②补充肝糖原；③调节酸碱平衡（乳酸异生为糖）
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第八章 脂类代谢
一、概述
1、概念：脂类是脂肪和类脂的总称，它是有脂肪酸与醇作用生成的酯及其衍生物，统称为脂质或脂类，是动物和植物体的重要组成成分。是一类不溶于水而易溶于有机溶剂，并能为机体利用的有机化合物。2、分类：
脂肪（又称三酯酰甘油或甘油三脂）、类脂：磷脂、固醇类（如胆固醇）、糖脂。3、功能
（1）贮藏物质/能量物质: 脂肪是机体内代谢燃料的贮存形式，它在体内氧化可释放大量能量以供机体利用。1g脂肪在体内彻底氧化供能约38KJ，而1g糖彻底氧化仅供能16.7KJ。（2）提供给机体必需脂成分
（3）生物体结构物质：①磷脂作为细胞膜的主要成分；②保护作用
（4）用作药物：卵磷脂、脑磷脂可用于肝病、神经衰弱及动脉粥样硬化的治疗等。
（5）参与细胞信号传导：磷脂酰肌醇（PI）转变为肌醇-三磷酸（IP3）作为信号分子参与信号传递。
二、脂肪的分解代谢
脂肪动员：储存在脂肪细胞中的脂肪，被脂肪酶逐步水解为游离的脂肪酸及甘油，并释入血以供其他组织氧化利用的过程。
→甘油二酯脂酶→甘油一酯→甘油+脂肪酸甘油三酯脂酶1、脂肪的水解
甘油三酯脂肪酶为限速酶
2、甘油的分解
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3、脂肪酸的氧化分解（β-氧化） β-氧化是体内脂肪酸氧化的主要形式。
（1）部位：组织：除脑组织外，大多数组织均可进行，其中肝、肌肉最活跃。
亚细胞：细胞液、线粒体
（2）过程：FA线粒体外活化→脂肪酰CoA→线粒体内β-氧化→乙酰CoA→TCA→CO2、H2O、ATP 1）脂肪酸的活化——脂酰CoA的生成
活化在线粒体外（中、短链脂肪酸直接进入线粒体，由线粒体内的脂酰CoA合成酶活化）内质网和线粒体外膜上的脂酰CoA合成酶在ATP、CoASH、Mg2+存在条件下，催化脂肪酸活化，生成脂酰CoA。——唯一消耗ATP的反应
形成一个高能硫酯键消耗2
个高能磷酸键。
2）脂酰CoA的穿膜（脂酰CoA进入线粒体）
催化脂肪酸氧化的酶系是在线粒体基质内，活化的脂酰CoA需要特定的转运载体——肉碱（L-3-羟基-4-三甲基氨丁酸）
肉碱脂酰转移酶I（CAT I）催化脂酰CoA与肉碱生成脂酰肉碱；肉碱脂酰转移酶II（CAT II）将进入线粒体内的脂酰肉碱转变为脂酰CoA并释放肉碱。
CAT I和CAT II属于同工酶，其中CAT I是限速酶。3）β-氧化
①脱氢：脂酰CoA在脂酰CoA脱氢酶催化
下，α和β-碳原子上各脱去一个氢原子，生成β-烯脂酰CoA，脱下的2H由FAD接受生成FADH2
②加水：β-烯脂酰CoA在β-烯脂酰水解酶催化下，加水生成L（+）-β-羟脂酰CoA③再脱氢：L（+）-β-羟脂酰CoA在β-羟脂酰CoA脱氢酶催化下，在β-碳原子上脱去两个氢原子，生成β-酮脂酰CoA，脱下的2H由NAD接受生成NADH+H+
④硫解：β-酮脂酰CoA在β-酮脂酰CoA硫解酶的催化下，加入1分子HSCoA参与反应，使碳链从α与β碳原子之间断裂，生成1分子乙酰CoA和1分子比原来少2个碳原子的脂酰CoA
新生的脂酰CoA可继续重复反应，最终全部分解为乙酰CoA。 4）乙酰CoA的彻底氧化
乙酰CoA在线粒体中进入三羧酸循环被彻底氧化生成二氧化碳和水并释放出大量能量。此外乙酰CoA还可生成酮体，被肝外组织氧化利用。
脂酰肉碱穿梭系统
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（3）能量计算：
以1分子16碳的软脂酸为例，共进行7次β-氧化，分解生成8分子乙酰CoA、7分子FADH2、7分子NADH+H+，每分子乙酰CoA通过三羧酸循环氧化可生成12分子ATP。1分子软脂酸彻底氧化总共生成131个ATP，净生成129分子ATP。
设碳原子数为Cn的脂肪酸进行β氧化，则需要作（n/2－1）次循环才能完全分解为n/2个乙酰CoA，产生（n/2－1）个NADH和（n/2－1）个FADH2；NADH和FADH2则通过呼吸链传递电子生成ATP，净生成ATP数量为 三、脂肪酸和脂肪的合成代谢
脂肪酸合成的碳源主要来自糖酵解产生的乙酰CoA，在细胞液中进行，需要CO2和柠檬酸参加。脂肪由甘油和脂肪酸酶促反应合成，但二者不能做为直接底物参加反应，须转变为脂酰CoA和磷酸甘油活化。 1、软脂酸的合成 （1）合成部位
组织：肝（主要）、脂肪等组织
亚细胞：细胞液（主要合成16碳的软脂酸）、肝线粒体、内质网（碳链的延长）（2）合成原料：乙酰CoA、ATP、HCO3– 、NADPH 、Mn2+
线粒体中的乙酰 CoA，需通过柠檬酸-丙酮酸循环（或称柠檬酸穿梭系统）运到细胞液中，才能供脂肪酸合成所需。NADPH主要来自胞浆中的磷酸戊糖途径，其次是柠檬酸穿梭系统。 （3）合成过程：
①丙二酰CoA的合成：在胞浆中进行，乙酰CoA羧化酶催化生成丙二酰CoA②脂肪酸生物合成的反应历程：
动物细胞脂肪酸合成酶系包括 7种不同功能的酶和酰基载体蛋白（ACP)，都存在于一条肽链上的七个功能区（结构域），由一个基因编码；酵母细胞中该酶系包含六个酶和ACP，定位于两条肽链上；大肠杆菌的该酶系含六个酶及ACP共七条肽链。
（4）合成小结：限速酶：乙酰CoA羧化酶；酰基载体：ACP-SH 终产物：软脂酸
一次循环：缩合、加氢、脱水、加氢——延长2C供氢体：NADPH+H+(主要来自戊糖磷酸途径)
总反应式：CH3CO~SCoA＋7 HOOC-CH2CO~SCoA＋14NADPH＋14H+＋H2O
脂肪酸合成酶系（7次循环）
nn2+ 3)+×1 2−22－1×( 2软脂酸＋14NADP+＋7CO2＋7H2O＋8CoA-SH
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2、脂肪的合成代谢
（1）部位：肝、脂肪组织、小肠等 （2）原料：α-磷酸甘油、脂肪酰CoA α-磷酸甘油的来源：甘油磷酸化、 （3）合成过程：
①甘油-酯途径 ②磷脂酸甘油二酯途径
脂肪酸从头合成与β－氧化比较
脂肪酰CoA的来源
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第九章 氨基酸的分解与转化
一、氨基酸的脱氨基作用 1、氧化脱氨基作用
在酶的催化下，氨基酸被氧化成α-酮酸，同时脱下氨基。特点：有氨生成。主要酶： ①L-氨基酸氧化酶：活性低，分布于肝及肾脏； ②D-氨基酸氧化酶：活性强，但体内D-氨基酸少；
③L-谷氨酸脱氢酶：活性强，分布于肝、肾及脑组织；辅酶为NAD+或NADP+；专一性强，只作用于谷氨酸，催化的反应可逆。 2、氨基酸的转氨作用
在转氨酶的催化下， α-氨基酸的氨基转移到α-酮酸的酮基碳原子上，结果α-氨基酸→相应的α-酮酸，α-酮酸→相应的α-氨基酸。
重要的转氨酶：①谷丙转氨酶（GPT）临床意义：急性肝炎患者血清GPT升高； ②谷草转氨酶(GOT) 临床意义：心肌梗患者血清GOT升高
转氨基作用特点及意义：
①只有氨基的转移，没有氨的生成；②催化的反应可逆；③其辅酶都是磷酸吡哆醛 接受氨基的主要酮酸有：α-酮戊二酸、丙酮酸、草酰乙酸 3、氨基酸的联合脱氨作用
转氨作用和氧化脱氨作用联合进行的脱氨基作用方式。方式有：转氨偶联氧化脱氨、转氨偶联AMP循环脱氨
（1）转氨偶联氧化脱氨：在氨基转移酶的作用下，氨基酸把氨基转给α-酮戊二酸，谷氨酸从胞质中进入线粒体基质，在L-谷氨酸脱氢酶的作用下氧化脱氢，又重新变成α-酮戊二酸。
此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。主要在肝、肾组织进行。
（2）转氨偶联嘌呤核苷酸循环脱氨基作用：此种方式主要在肌肉组织进行。
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二、氨基氮的转运与排泄 1、氨的转运
（1）谷氨酰胺的运氨作用：组织中游离的氨基与谷氨酸结合在谷氨酰胺合成酶的催化下产生谷氨酰胺，反应需要ATP。
谷氨酰胺是中性无毒物质，容易透过细胞膜，是氨的主要运输形式，也是体内氨的储存形式。谷氨酰胺随血液运输到肝脏，再被转化为尿素排泄。临床上用谷氨酸盐降低血氨。 （2）丙氨酸-葡萄糖循环
作用：①实现了氨的无毒转运； ②肝组织为肌肉活动提供能量。 2、氨的排泄
水生动物：排氨；陆生爬行动物、鸟类：尿酸；哺乳动物：鸟氨酸（尿素）循环，尿素的第一个N来自NH4+，第二个N来自Asp，C原子来自HCO3-。
尿素合成小结：
①主要器官：肝脏（肝细胞线粒体和胞浆）； ②原料：合成1分子尿素需：CO2、2NH3（其中1分子来自于天冬氨酸）3个ATP的4个高能磷酸键
③总反应方程式：2NH3 + CO2 + 3ATP + H2O→尿素+ 2ADP + AMP + 2Pi +PPi
④生理意义：是体内氨的主要去路，解氨毒的重要途径。
三、氨基酸的脱羧基作用
在脱羧酶（磷酸吡哆醛为辅酶）的催化下，脱羧形成胺，一些胺具有重要的生理功能。 Trp → 5-羟色胺酸（神经递质）；Glu → γ-氨基丁酸（GABA，神经递质）； His → 组胺；Tyr → 肾上腺素
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第十章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢
一、核酸的酶促降解 1、核酸酶 （1）分类
1）根据对底物的专一性分为：核糖核酸酶（RNase）、脱氧核糖核酸酶（DNase）、非特异性核酸酶
2）根据切割位点分为：核酸内切酶、核酸外切酶 （2）核酸酶的作用特点
非特异性的磷酸二酯酶，从核酸的一端逐个水解掉核苷酸。 作用于核酸末端，产物是单核苷酸。 2、限制性内切酶
原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶。 （1）类型：Ⅰ型、Ⅱ型、ⅡI型
（2）意义：限制性内切酶是分析染色体结构、制作DNA限制图谱、进行DNA序列测定和基因分离、基因体外重组等研究中不可缺少的工具，用来解剖DNA分子。 二、核苷酸的降解 1、嘌呤的降解
嘌呤核苷酸分解代谢特点：
①部位：主要在肝、小肠及肾；
②环打不破：尿酸仍然具有嘌呤环，只有取代基发生氧化； ③最终产物：尿酸; ④嘌呤代谢障碍：痛风症 2、嘧啶的降解 嘧啶分解的特点：
①部位：主要在肝中进行； ②环被打破；
③可彻底分解，终产物：NH3、CO2
三、核苷酸的合成代谢
体内核苷酸的来源：自身合成（主要途径）、食物（次要） 1、核糖核苷酸的生物合成
（1）嘌呤核苷酸的从头合成途径：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。
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1）原料：天冬氨酸(Asp)、甘氨酸(Gly)、谷氨酰胺(Gln)、CO2、一碳基团、5-磷酸核糖、ATP等 （亚细2）合成部位：肝是主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。胞：胞液） 3）元素来源
4）过程：①IMP的合成；②AMP和GMP的生成 5）合成特点：
①参与从头合成途径的酶均在胞液中。 ②嘌呤是在磷酸核糖分子上逐步合成的。
③先形成IMP，然后在单磷酸的水平上转变成 AMP、GMP。
④耗能：IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP或GMP的合成需1个高能磷酸键。 ⑤PRPP合成酶和酰胺转移酶为关键酶。
（2）嘌呤核苷酸的补救合成途径：利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程。
1）原料：嘌呤、嘌呤核苷、磷酸核糖焦磷酸（PRPP） 2）合成部位：骨髓、脑等组织。
参与合成的酶：腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）、次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）、 3）
核苷磷酸化酶、腺苷激酶
4）意义：节省能量和原料；某些组织器官，如脑、骨髓等只进行补救合成。 （3）嘌呤核苷酸的相互转变 2、嘧啶核苷酸的合成代谢
氨甲酰磷酸与天冬氨酸是合成嘧啶碱的原料。
合成嘧啶碱的氨甲酰磷酸在细胞质中由氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ催化，ATP供应能量，由谷氨酰胺与二氧化碳合成。（合成尿素的氨甲酰磷酸由氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ催化，氮来自于氨） （1）嘧啶核苷酸从头合成途径：
1）原料：天冬氨酸(Asp)、谷氨酰胺(Gln)、CO2、5-磷酸核糖 2）元素来源
3）合成部位：主要是肝细胞胞液
基本过程：先合成嘧啶环，再与PRPP作用生成UMP 4）5）特点：
①酶系大多在胞液内，但个别酶如二氢乳清酸脱氢酶则位于线粒体内；
②其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先由氨甲酰磷酸与天冬氨酸形成嘧啶环；再与核糖磷酸（PRPP）结合形成UMP；
③由UMP出发再合成其它的嘧啶核苷酸。胞苷酸则由尿苷酸在三磷酸的水平上转变而来；dTMP是由dUMP在一磷酸的水平上经甲基化而生成。
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（2）嘧啶核苷酸补救合成途径：
3、脱氧核苷酸的合成
由相应的核糖核苷二磷酸水平直接还原生成。 （1）脱氧核苷酸的合成
（2）脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成
dTMP可由dUMP甲基化而形成
本章重点：核苷酸分解和合成的一般途径、核酸限制性内切酶的催化作用特点
PPT后练习：
1、嘌呤环中第一位氮来自 天冬氨酸 的氨基，第三、第九位氮来自 谷氨酰胺 的酰胺基，第二位及第八位碳来自 甲酸盐 ，第六位碳来自 CO2 ，而第四、第五位碳及第七位氮来自 甘氨酸 。
2、嘧啶核苷酸的嘧啶环是由 氨基甲酰磷酸 和 天冬氨酸 合成的。
3、痛风是因为体内 尿酸 产生过多造成的，使用 别嘌呤醇 作为黄嘌呤氧化酶的自杀性底物可以治疗痛风。
4、dTMP合成的直接前体是dUMP。
5、尿素循环与三羧酸循环是通过哪些中间产物的代谢联结起来的：天冬氨酸与延胡索酸
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